对于小球和配重砝码质量问题,切忌小球的质量 不可以过大于配重砝码的质量 和 ,如果 过大于 和 ,小球下降的速度过快,使细线不稳定,挡光纸片在经过光电门时造成读数不稳定,使测量的数据产生较大的误差,从而造成测量结果的不精确。
6.实验拓展
对本实验装置稍加改动,可用于液体粘滞系数的测定,实验装置如下图:
图5改进后装置
小球在无限宽广的粘滞性较大的液体中缓慢运动时所受到的粘滞阻力,由斯托克斯公式有: ,其中 为液体的粘滞系数, 为小球的直径, 是小球的运动速度。在本试验装置中,小球在装有待测液体的量筒中心下落,小球会受到自身重力 、浮力 、粘滞阻力 、挂钩摩擦力 以及细绳的拉力 五个力的作用,其中粘滞阻力随着速度的增加而增加。实验中发现,细线和待测液体之间存在较大的粘滞阻力。根据层流理论,这个力与线的运动速度﹑与线和待测液的接触长度成正比,即 ,其中k的物理意义是单位长度的细线在待测液体中以单位速度运动时受到的阻力。
取线与液面的交点为坐标原点 ,小球的运动方向为x轴正方向,建立整个系统的动力学方程为:
(7)
如果用质量为 的砝码代替 ,设挂钩造成的阻力变为 ,则系统的动力学方程为:
(8)
取 ,则
做以下变换:


联立(1)(2)两式得: (9)
上式两边同除以 ,并令 (10)
则上式变为 (11)
具体实验操作步骤与测量重力加速度的步骤相近,这里不做过多论述。
7.实验讨论
1.测量重力加速的基本思路是:只要关系式中包含有重力加速度 的,均可考虑能否通过该关系式测出其它物理量,从而间接的测出重力加速度 。在设计时,根据公式的不同、仪器选择的不同、数据处理的不同都可以引申出很多测量的方法。
2.光电门的光源不是理想光源,发散角大,光接收部分又易受到干扰,会影响实验精确度。如果条件允许可以自制激光计时器,可以克服原发光二极管电门定位不准、易受干扰等缺点。
3.为了提高实验效率以及实验结果的准确度,可以对本文的实验装置进行进一步的改进,主要是利用单片机对原实验的光电信号进行检测,完成较精确的计时、计算、存储、显示以及数据处理等一系列工作,可以极大的改善实验环境、丰富了实验内容以及提高了实验效率。
4.本实验装置的优点是:较好的避免了多次测量时小球高度不固定、挡光部分不相同等缺点,用挡光纸片代替小球挡光,避免了用小球作重物时经过光电门因偏心引起的误差。且本实验有较高的可重复性,为多次测量求平均值提供了客观条件。
5.通过实际测量,验证了本方法的可行性,但在实验原理中并未考虑空气的浮力及粘滞力的影响。如果将上面的因素考虑进去,实验结果的精度会进一步提高。
结论
1.实验测出兰州重力加速度为 =9.7315 ,兰州重力加速度的参考值为9.7843 ,测量结果与参考值偏差为0.6%,比自由落体法4.9%的偏差和气垫导轨法2%的偏差要小,测量结果相对较精确;
2.实验中需要测量大量的数据,如果同时采用多个光电门,这样通过一次释放就可以测得多个数据;
3.如果增加待测液体(如图5),让小球在在待测液体中下落,忽略空气阻力,根据小球下落过程中各点的瞬时速度,按照实验拓展中的原理,仿照前面的实验步骤,可以测定待测液体的粘滞系数。
参考文献
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